0 引言
当今社会，为了对企业进行有效的信息化管理，增强企业的市场竞争力，许多企业逐步引入了各种计算机管理软件。对于机械生产而言，PDM技术的引进显著提高了机械生产的效率，实现了企业信息的集成管理。可以说，企业对PDM的使用程度决定了企业的成效，其在机械可靠性设计中的运用效果尤为明显。机械可靠性设计时必须进行模拟实验，以虚拟样机的形式对机械的荷载能力和使用失效情况进行分析，从而为可靠性设计提供资料。
1 PDM的概念和主要功能
PDM是Product Data Management的缩写，称作产品数据管理，是近年来计算机领域开发的新型软件技术，主要涉及产品相关信息及相关过程的管理。其中，产品的相关信息包括产品零件信息、配置、CAD建模、结构和权限信息等，产品设计的全过程包括设计形式和产品材料信息等几部分。
PDM的主要功能是为机械生产的产品提供一个宏观管理和控制的信息数据体制及结构，其具体功能可以大致划分为电子存储功能、工作流程管理功能、产品结构配置的数据管理功能、产品数据查看及调阅功能、产品扫描成像功能、设计文件及产品零件资料检索功能、项目管理功能、电子协作功能和工具的集成功能这9个部分。
2 机械可靠性设计中PDM的应用
PDM是通过各种数据集成软件对相关数据进行管理的计算机系统。在机械产品性能及可靠性设计中，PDM一般是通过系统中的相关数据建立虚拟样机，并将虚拟样机集成，以虚拟仿真团队的组织形式进行产品数据和管理的分析，并通过PDM的过程监管功能实现整体性、并行化的仿真过程的管理。对于机械产品而言，PDM系统对其可靠性的影响大致可以分为可靠性设计和可靠性分析仿真2部分，本文将针对这2部分及动力学分析仿真进行具体叙述。
2.1 可靠性设计
机械产品可靠性设计的基础主要包括建模、故障影响分析和危害性分析，其研究对象是整个机械产品的体系，包括对机械动力装置、控制设备、执行中枢等产品运作系统的可行性分析和估量。对于故障影响分析，由于企业在设计之初往往缺乏相关的失败经验数据，因此一般都是以产品的定性分析为主，通过分析掌握机械产品发生故障时的情况，进行相应的修改设计，并再次重复机械产品可靠性设计的步骤；直到掌握了一定的产品实验数据，再进行相应的定量分析以及对产品的深度剖析和使用。
2.2 可靠性分析仿真
在机械产品系统设计的基础上，结合机械产品的虚拟样机数据，对机械零件的可靠性进行仿真与分析，该操作是以可靠性为优化目标，可以说是可靠性设计的监测方式，一般需要对几个软件部分进行分析。(1)CAD软件的FMECA/FTA功能。在机械生产方面有许多的计算机辅助软件，CAD就是比较常见的辅助软件之一。将产品的数据模块与CAD分析数据进行协同设计，并将FMECA/FTA功能加入到可靠性分析的过程中，可以实现可靠性设计方案与产品设计方案的统一。(2)CAE软件可靠性分析的仿真内容。CAE可以通过机构运动仿真模式，以三维数字样机和仿真元模型的方式，对机械强度的可靠性进行分析，针对机构运动中产生的误差进行调整，并分析产品在运行中可能造成的损伤。CAE产品还可以监测机械产品运行中的疲劳情况，预测机械产品的使用寿命或确定其维修时效。
2.3 动力学分析仿真
在对机械可靠性进行设计及分析的过程中，引入了空间结构锁系三维实体模型。这种三维实体模型利用对边界和运动实体的约束以及施加的工作载荷，采用MSC公司研制的机械自动分析动力软件对动力学进行建模和仿真分析。这种自动分析软件可以仿真分析出空间结构锁系的动力学运动规律，对运动仿真的位移、速度、运动轨迹、力矩等参数进行计算和干涉计算。这种建立在空间结构锁系三维实体模型基础上的分析仿真，采用高级离散体进行建模，可以将原来需要很长时间才能完成的实体整机物理实验，在计算机上几个小时完成，其效果已得到工程验证，在很大程度上提高了动力学分析效率。
3 可靠性设计与仿真分析实例
下面以锁钩中的变形故障为例进行说明。根据锁钩的结构和工作要求选择锁钩的荷载值、材料弹性模量、屈服强度极限和力学泊松比作为随机变量，忽略温度对锁钩的影响，相关数据如表1所示。
表1 主动锁钩可靠性分析的麓机变量
根据相关的变形数据进行G(E，γ，R，F)=R-f(E，γ，F)的函数运算，其中，(E，γ，F)通过PDM平台中相应的NASTRAN以及ADAMS(动力学仿真分析软件)分析得出，最后通过外部的有限元和PDM中的动力学分析软件对锁钩零件的可靠性进行计算，不同的仿真计算分析对比如表2所示。
表2 不同仿真算法的计算及其对比结果
理论上说，蒙特卡罗法的计算精确度是估算法中最精确的，但是其需要进行反复多次实验，对零件的损耗太大，一般不建议使用。而RSM法虽然效率高，但是精度较低。在精确度上，AMV+的计算结果与蒙特卡罗法相近，企业可以通过相应的CPU工作站对其进行计算，是一种比较精确且经济的计算方式。
在仿真计算后，需要对锁钩的灵敏性进行分析，找出发生失效情况的原因及其相关变量，反馈到设计组进行设计和修改。主动锁钩异常变形失效的灵敏度分析如图1所示，其中黑色柱状图是变量均值扰动的灵敏度，灰色柱状图是随机变量变异系数扰动的灵敏度。分析结果表明，锁钩对外荷载和材料屈服强度极限这2个变量的灵敏度较大，在设计中应将二者作为主要的影响因素进行控制。
图1 主动锁钩异常变形失效的灵敏度分析
4 结语
对于机械产品而言，建立实体样机进行可靠性试验是很不经济的，且其所对应的数据往往存在偶然性，十分不可靠。PDM是现今机械设计中较为常见的计算机软件，其改变了机械产品设计的整体运转流程，为机械产品的可靠性设计和可靠性分析仿真提供了数据和便利，减少了企业的成本开销和产品的生产时间，对于机械产品的可靠性设计有着重要的意义。
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本文标题：机械可靠性设计中PDM的应用研究
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